嘿?菠蘿—讓制造更便捷

行業資訊
全面解析3D打印材料

  3D打印,是根據所設計的3D模型,通過3D打印設備逐層增加材料來制造三維産品的技術。這種逐層堆積成形技術又被稱作增材制造。3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多領域的前沿技術,是快速成型技術的一種,被譽爲“第三次工業革命”的核心技術。

  


  3D打印制造技術主要由3個關鍵要素組成:

  一是産品需要進行精准的三維設計,運用計算機輔助設計(CAD)工具對産品全方位精准定位;

  二是需要強大的成型設備;

  三是需要滿足制品性能和成型工藝的材料。

  由于3D打印制造技術完全改變了傳統制造工業的方式和原理,是對傳統制造模式的一種顛覆,因此3D打印材料成爲限制3D打印發展的主要瓶頸,也是3D打印突破創新的關鍵點和難點所在,只有進行更多新材料的開發才能拓展3D打印技術的應用領域。天津天易多維科技有限公司介紹,目前,3D打印材料主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和複合材料等。

  1、工程塑料

  工程塑料指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料,是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類3D打印材料,常見的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯砜(PPSF)、聚醚醚酮(PEEK)等。

  1)ABS

  ABS材料因具有良好的熱熔性、沖擊強度,成爲通過熔融沈積3D打印的首選工程塑料。目前主要是將ABS預制成絲、粉末化後使用,應用範圍幾乎涵蓋了所有日用品、工程用品和部分機械用品。近年來ABS不但在應用領域逐步擴大,而且性能不斷提升,借助ABS強大的粘接性、強度通過對ABS的改性,使其作爲3D打印材料在更廣範圍得到應用。

  2014年國際空間站用ABS塑料3D打印機爲其打印零件;世界上最大的3D打印機材料公司Stratasys公司研發的最新ABS材料ABS-M30,專爲3D打印制造設計,機械性能比傳統的ABS材料提高了67%,從而擴大了ABS的應用範圍。


  2)PA

  PA強度高,同時具有一定的柔韌性,因此可直接利用3D打印制造設備零部件。利用3D打印制造的PA碳纖維複合塑料樹脂零件強度韌性很高,可用于機械工具代替金屬工具。另外,由于PA的粘接性和粉末特性,可與陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉等混合,通過粘接實現陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉的低溫3D打印。索爾維公司作爲全球PA工程塑料的專家,基于PA的工程塑料進行3D打印樣件,用于發動機周邊零件、門把手套件、刹車踏板等。用工程塑料替代傳統的金屬材料,最終解決了汽車的輕量化問題。

  3)PC

  PC具有優異的強度,其強度比ABS材料高出60%左右,因此適合于超強工程制品的應用。索爾維公司作爲全球PA工程塑料的專家,基于PA的工程塑料進行3D打印樣件,用于發動機周邊零件、門把手套件、刹車踏板等。德國拜耳公司開發的PC2605可用于防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭燈罩、宇航員頭盔面罩、智能手機的機身、機械齒輪等異型構件的3D打印制造。


  4)PPFS

  PPSF具有最高的耐熱性、強韌性以及耐化學品性,在各種快速成型工程塑料材料之中性能最佳,通過碳纖維、石墨的複合處理,PPSF顯示出極高的強度,可用于3D打印制造高承受負荷的制品,成爲替代金屬、陶瓷的首選材料。

  5)PEEK

  PEEK具有優異的耐磨性、生物相容性、化學穩定性以及楊氏模量最接近人骨等優點,是理想的人工骨替換材料,適合長期植入人體。基于熔融沈積成型原理的3D打印技術安全方便、無需使用激光器、後處理簡單,通過與PEEK材料結合制造仿生人工骨。


  6)EP

  EP(Elasto Plastic)即弹性塑料,是Shapeways公司最新研制的一种3D打印原材料,它能够避免用ABS打印的穿戴物品或可变形类产品存在的脆性问题。顾名思义,Elasto Plastic是一种新型柔软的3D打印材料,在进行塑形时和ABS一样均采用“逐层烧结”原理,但打印的产品却具有相当好的弹性,易于恢复形变。这种材料可用于制作像3D打印鞋、手机壳和3D打印衣物等产品。

  7)Endur

  Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料—Endur,它是一種先進的仿聚丙烯材料,可滿足各種不同領域的應用需求。Endur材料具有高強度、柔韌度好和耐高溫性能,用其打印的産品表面質量佳,且尺寸穩定性好,不易收縮。Endur具有出色的仿聚丙烯性能,能夠用于打印運動部件、咬合齧合部件以及小型盒子和容器。

  2、生物塑料

  3D打印生物塑料主要有聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環己烷二甲醇酯(PETG)、聚-羟基丁酸酯(PHB)、聚-羟基戊酸酯(PHBV)、聚丁二酸-丁二醇酯(PBS)、聚己內酯(PCL)等,具有良好的可生物降解性。

  1)PLA

  PLA(Poly Lactic Acid)即聚乳酸可能是3D打印起初使用得最好的原材料,它具有多种半透明色和光泽质感。作为一种环境友好型塑料,聚乳酸可生物降解为活性堆肥。它源于可再生资源—玉米淀粉和甘蔗,而不是非可再生资源——化石燃料。新加坡南洋理工大学的Tan K H等在应用PLA制造组织工程支架方面的研究中,采用3D技术成型生物可降解的高分子材料,制造了高孔隙度的PLA组织工程支架,通过对该支架进行组织分析,发现其具有生长能力。

  2)PETG

  PETG是采用甘蔗乙烯生産的生物基乙二醇爲原料合成的生物基塑料。具有出衆的熱成型性、堅韌性與耐候性,熱成型周期短、溫度低、成品率高。PETG作爲一種新型的3D打印材料,兼具PLA和ABS的優點。在3D打印時,材料的收縮率非常小,並且具有良好的疏水性,無需在密閉空間裏貯存。由于PETG的收縮率低、溫度低,在打印過程中幾乎沒有氣味,使得PETG在3D打印領域産品具有更爲廣闊的開發應用前景。

  3)PCL

  PCL是一種生物可降解聚酯,熔點較低,只有60℃左右。與大部分生物材料一樣,人們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸設備、縫合劑等,同時,PCL還具有形狀記憶性。在3D打印中,由于它熔點低,所以並不需要很高的打印溫度,從而達到節能的目的。在醫學領域,可用來打印心髒支架等。


  3、熱固性塑料

  熱固性樹脂如環氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機矽樹脂、芳雜環樹脂等具有強度高、耐火性特點,非常適合利用3D打印的粉末激光燒結成型工藝。哈佛大學工程與應用科學院的材料科學家與Wyss生物工程研究所聯手開發出了一種可3D打印的環氧基熱固性樹脂材料,這種環氧樹脂可3D打印成建築結構件用在輕質建築中。

  4、光敏樹脂

  光敏樹脂是由聚合物單體與預聚體組成,由于具有良好的液體流動性和瞬間光固化特性,使得液態光敏樹脂成爲3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。光敏樹脂因具有較快的固化速度,表幹性能優異,成型後産品外觀平滑,可呈現透明至半透明磨砂狀。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分,非常適合個人桌面3D打印系統。

  5、高分子凝膠

  高分子凝膠具有良好的智能性,海藻酸鈉、纖維素、動植物膠、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝膠材料用于3D打印,在一定的溫度及引發劑、交聯劑的作用下進行聚合後,形成特殊的網狀高分子凝膠制品。如受離子強度、溫度、電場和化學物質變化時,凝膠的體積也會相應地變化,用于形狀記憶材料;凝膠溶脹或收縮發生體積轉變,用于傳感材料;凝膠網孔的可控性,可用于智能藥物釋放材料。